Владимирский С.Р. Механизация строительства мостов

Подождите немного. Документ загружается.

ВП-3 для погружения свайных элементов большого поперечного сечения и длины были

созданы в НИИ Мостов при ЛИИЖТе в 1950—1952 гг. Они явились прообразом многих

последующих конструкций.

Рис. 14. Бескопровая сваебойная установка:

1 — дизель-молот; 2 — строповочная серьга; 3 — «кошка»; 4 — направляющая для

молота и «кошки»; 5 — кольца; 6 — свая; 7 — лидерная скважина; 8 —— наголовник;

9 — стакан; 10 — рама

Механический вибропогружатель включает в себя: собственно вибратор, состоящий

из нескольких грузовых валов с насаженными на них тяжелыми эсцентриками;

приводной электродвигатель с редуктором для передачи крутящего момента валам;

наголовник для жесткого прикрепления вибратора к свае (рис. 15).

В процессе вращения в разные стороны грузовых валов, соединенных

синхронизирующими шестернями, возникает направленная вдоль вертикальной оси

вибратора знакопеременная вынуждающая сила, которая изменяется по гармоническому

закону. Максимальное значение вынуждающей силы можно определить по формуле

= Q

eω

/g, (14)

где Q

— вес эксцентриков; е — расстояние от оси вращения до центра тяжести

эксцентриков; ω — угловая скорость вращения грузовых валов; g — ускорение силы

тяжести (g= 9,81 м/с

Произведение Q

· е представляет собой суммарный грузовой момент М эксцентриков

вибратора и вместе с вынуждающей силой Р

является одной из основных его

характеристик.

Рис. 15. Низкочастотный вибропогружатель ВПМ-170:

1 — эксцентриковые валы; 2 — электродвигатель; 3 — блок шестерен; 4 —

синхронизирующие шестерни; 5 — фланец

Под действием вибратора, жестко соединенного со сваей, в нелинейной динамической

системе вибратор—свая—грунт возникают продольно направленные колебания с

амплитудой А. Если амплитуда достигает критического значения, при котором

происходит преодоление сил трения по боковой поверхности, свая, проскальзывая в

грунте, периодически надавливает нижним концом на него, преодолевая его

сопротивление и в этой зоне. Амплитуда А

колебаний вибросистемы после срыва сил

трения в основном зависит от величины грузового момента и массы вибросистемы:

= Q

e/ (Q

+ Q

св

) = M/G, (15)

где Q

и Q

св

— вес вибратора с наголовником и сваи соответственно. В последние

десятилетия больше других использовался для погружения железобетонных свай-

оболочек диаметром 1,6 м и 3,0 м длиной до 60—70 м отечественный вибропогружатель

ВП-160 (ВП-170, ВПМ-170) — см. рис. 15. Характерной его особенностью является

использование двухскоростной схемы вращения грузовых валов, из которых половина

вращается с удвоенной скоростью. Поэтому вынуждающая сила, направленная вниз,

превышает силу, направленную вверх.

Обычно вибропогружатель закрепляют на свае болтами посредством наголовника

(рис. 16). При погружении свай-оболочек Ø 3,0 м применяют спаренный

вибропогружатель из двух вибропогружателей ВПМ-170, установленных на едином

наголовнике. Совместность колебаний вибропогружателей обеспечивается соединением

их синхронизирующими шестернями 4 (см. рис. 15).

Другой конструкцией вибропогружателя является модель с проходным отверстием в

центральной части, что позволяет извлекать грунт грейфером из полости оболочки, не

снимая вибропогружателя (рис. 17). Однако такие конструкции плохо зарекомендовали

себя в эксплуатации.

Значительное влияние на производительность погружения свай-оболочек оказывает

конструкция узла крепления к ним вибропогружателя, который должен быть жестким. Но

болтовые соединения кроме периодической подтяжки гаек (из-за их отвинчивания под

действием вибрации), требуют значительных затрат труда и времени на установку и

снятие вибропогружателя. Безболтовые зажимные наголовники (например,

гидравлические) позволяют сократить затраты труда в 8—10 раз (рис. 18).

Рис. 16. Крепление вибропогружателя к оболочке:

1 — вибропогружатель; 2 — переходной патрубок; 3 — болты крепления; 4 — фланец

оболочки; 5 — оболочка

Рис. 17. Вибропогружатель с проходным отверстием ВУ-1,6

Рис. 18. Гидравлический зажимной наголовник

В процессе погружения в грунт сваи-оболочки при постоянных параметрах вибратора

скорость погружения, амплитуда колебаний, сила тока и потребляемая двигателем

мощность постелено снижаются. С целью оптимизации режимов погружения в 1969 г.

были созданы вибропогружатели с автоматически изменяемыми параметрами. В них

максимально возможная скорость погружения при минимальных затратах мощности

обеспечивается путем регулирования частоты колебаний и грузового момента

эксцентриков на разных стадиях погружения оболочки. Вибропогружатели типа ВРП

(табл. 9) некоторыми специалистами признаются наиболее совершенными (см. [20]).

Успешный опыт создания и применения в нашей стране вибропогружателей

способствовал развитию свайной вибротехники за рубежом. Так, японской фирмой

Kensetsu Kikai Tesa создан параметрический ряд низкочастотных вибропогружателей с

вынуждающей силой 370...2140 кН.

Таблица 9

Техническая характеристика вибропогружателей отечественного производства

Показатели

ВПМ-170

ВУ-1,6

ВРП15/60

ВРП30/132

ВРП70/200

ВП-52Б

с постоянными параметрами

с регулируемыми

параметрами

Статический момент мас-

сы дебалансов М, кН · м

7,0 3,4 0-1,5 0-3,0 2,3-7,0 5,2

Частота вращения деба-

лансов n, об/мин

475-550 300-498 0-460 0-520 0-500 250-500

Вынуждающая сила мак-

симальная Р

В ,

кН

1250-

1700

350-960 348 895 2000 1480

Мощность основного

электродвигателя, кВт

200 2х90 60 132 200 2х132

Масса вибропогружателя

без наголовника, т

15,6 12,0 5,08 7,25 14,0 13,25

Габариты, мм:

высота 3400 1910 2044 2245 3250 1880

длина 1860 3350 1245 1440 1700 3200

ширина 1260 2620 1114 1440 1346 2850

Тип гидравлического на-

головника

НГ-1,6 НГ-1,6 НГ-0,6 НГ-0,8 НГ-1,6 НГ-3

Однако, недостатками вибропогружателей с электромеханическим приводом

являются высокая потребляемая мощность и частый выход из строя электродвигателей

из-за воздействия вибрации и сгорания обмоток, особенно в период интенсивного разгона

вибросистемы.

В последние годы за рубежом наблюдается интенсивный процесс создания свайных

вибропогружателей нового поколения, оснащенных гидромоторами с автономным

приводом. В гидромоторе вращательное движение вала происходит под давлением

рабочей жидкости (минерального масла либо воды), которая подается от насосной

станции с дизельным двигателем. Но, в отличие от вибропогружателя с

электромеханическим приводом, вращательное движение эксцентриковых валов

совершается с меньшими амплитудами и с большей частотой. Гидровибропогружатель

(рис. 19) оснащается гидравлическими захватами для свай различного типа. При

погружении оболочек большого диаметра можно использовать спаренные погружатели

(рис. 20). В настоящее время гидровибропогружатели выпускаются многими фирмами

(табл. 10).

В комплект вибропогружателя входит гидростанция. Например, для питания

вибропогружателя JV100 применяется гидростанция JP30 с параметрами: мощность

дизеля — 650 кВт (870 л. с), максимальное давление масла в гидросистеме — 350 атм.,

производительность насосов — 1100 л/мин.

Рис. 19. Гидравлический вибропогружатель фирмы РТС (Франция)

Рис. 20. Тандем из двух гидровибропогружателей 100HD фирмы РТС,

применяемый для погружения оболочек диаметром 1,3—3,0 м (вынуждающая сила —

6000 кН; масса вибромашины — 45,4 т)

У гидравлических вибропогружателей основные параметры регулируются в

соответствии с тем, какое сопротивление погружению испытывает свая. Максимальная

частота колебаний у машин этого типа в 3—8 раз больше, чем у низкочастотных

механических вибраторов, но амплитуда колебаний меньше, что несколько снижает по-

гружающую способность.

При выборе типа вибропогружателя необходимое значение вынуждающей силы Р

кН, определяют по формуле

≥ (γ

N - 2,8G) / K

, (16)

где γ

- коэффициент надежности по грунту, принимаемый по п. 3.10 [22]; N - несущая

способность сваи по грунту; P

≥ l,3G - при погружении с извлечение грунта из полости

свай-оболочек и P

≥ 2,5G - при погружении без извлечения грунта; K

- коэффициент

снижения бокового сопротивления грунта, определяемый для песчаных грунтов по табл.

11, а для глинистых грунтов — в зависимости от показателя консистенции грунта I

..... 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

…1,3 1,4 1,5 1,7 2,0 2,5 3,0 3,3 3,5

В зависимости от необходимой вынуждающей силы выбирается вибропогружатель

наименьшей мощности.

Таблица 10

Техническая характеристика гидровибропогружателей зарубежного

производства

Показатели

JV фирмы Junttan

Финляндия

MS-100 HHF фирмы

Krupp

Германия

100HD фирмы РТС

Франция

Модель 400 «King

Kong» фирмы АРЕ

США

HVB 400 фирмы T?

nkers Германия

1412 В фирмы ICE

Голландия

Статический момент, кН · м 1,0 1,0 1,15 1,5 1,4 1,15

Частота вращения, об/мин 1800 2156 1400 1500 1900 1350

Максимальная вынуждающая

сила, кН

2500 2500 2510 3559 4000 2300

Максимальная амплитуда, мм 8 26 28 38 20,5 28

Масса вибропогружателя, т 12,0 1,9 13,25 15,5 18,0 12,9

Габариты, мм:

высота 3100 3235 3000 3048 3548 3000

длина 2250 2410 2300 2438 1800 2310

ширина 610 660 800 660 1400 760

Для вибропогружателей с электромеханическим приводом на конечной стадии

вибропогружения должно быть выполнено условие

≤ f

{[6000W – 2 nF

(2A

- v/n)]/v + F

- 1) + G}, (17)

где F

— расчетная несущая способность сваи по грунту, F

≥ g

N; f

— коэффициент

влияния инерционных и вязких сопротивлений на несущую способность сваи (табл. 12);

W — мощность, расходуемая на движение вибросистемы: W = ηW

- W

, где η — к. п. д.

электродвигателя, принимаемый равным 0,83—0,90 в зависимости от нагрузки; W

—

потребляемая из сети активная мощность в последнем залоге; W

— мощность холостого

хода, принимаемая равной 25% номинальной мощности вибропогружателя, кВт; n —

фактическая частота колебаний вибросистемы, мин

-1

(рабочая частота вращения по

паспортным данным вибратора); F

— сила бокового сопротивления грунта при

вибропогружении, кН, определяемая по формуле (18); А

— фактическая амплитуда

колебаний, принимаемая равной половине полного размаха колебаний системы на пос-

ледней минуте погружения; v — скорость вибропогружения, которая на последнем залоге

в 3 мин должна быть не менее 2 см/мин.

= 1500W/{A

[n + (v + 2)/2А

]}. (18)

Таблица 11

Коэффициент снижения бокового сопротивления песчаного грунта Ks

Типы песчаных грунтов

Состояние грунтов

плотные

средней

плотности,

влажные

водонасы-

щенные

рыхлые,

влажные

гравелистые 2,2 2,6 2,6 2,9

крупные 2,7 3,2 3,8 3,5

средней крупности 4,1 4,9 6,4 5,4

мелкие 4,7 5,6 8,4 6,2

пылеватые 5,7 6,2 9,3 6,8

Таблица 12

Коэффициент влияния инерционных и вязких сопротивлений

Вид грунта по боковой поверхности сваи Коэффициент f

Пески и супеси твердые 1,0

Супеси пластичные, суглинки и глины твердые 0,95

Суглинки и глины:

полутвердые 0,9

тугопластичные 0,85

мягкопластичные 0,8

Скорость погружения сваи-оболочки v может быть определена, исходя из величины

прогнозируемого чистого времени погружения, мин [21]:

 











iii

GnAW

lGP

бiвi

5.0Р12015

5.0

(19)

где Р

, Р

, — динамическое сопротивление грунта погружению сваи в центре i-го слоя

соответственно общее и по боковой поверхности; G

, — суммарный вес вибросистемы,

включая вес вибропогружателя Q

, наголовника Q

и сваи Q

св

; l

— толщина слоя; W

—

мощность вибропогружателя, идущая непосредственно на процесс погружения сваи; А

—

амплитуда колебаний сваи (15); n

вi

, — количество оборотов дебалансов в секунду.

Мощность вибропогружателя в формуле (19) можно определить по формуле,

предложенной О. А. Савиновым (индексы i опущены):





(20)

Суммарное время t

погр

погружения одной сваи-оболочки определяется следующим

образом

погр

= t

+ t

уст

+ t

нар

+ (t

вп

+ t

под

) (n

+ 1) + t

гр

+ t

охл

, (21)

где t

yct

— время установки столба в направляющий кондуктор; t

нap

— время

наращивания оболочки отдельными секциями с устройством стыка и гидроизоляцией; t

вп

— время установки и снятия вибропогружателя и подмостей; t

под

— время монтажа и

демонтажа подмывных устройств и эрлифта; t

гр

— время извлечения грунта; t

охл

— время

охлаждения вибропогружателя и подтяжки болтов (все компоненты принимаются по

ЕНиР); n

— число наращиваемых секций сваи-оболочки.

Пример 3. Прогнозирование процесса вибропогружения железобетонных свай-

оболочек рассмотрим на примере фундамента опоры реального автодорожного моста.

Исходные данные: типовые сваи-оболочки наружным диаметром 1,6 м, с толщиной

стенки 12 см, имеют полную длину 32 м и погружаются с открытым нижним концом на

глубину 24 м. Расчетные параметры сваи-оболочки:

— площадь основания А = π · (1,6

- 1,36

)/4 = 0,558 м

;

— периметр наружный и = π · 1,6 = 5,02 м;

внутренний - и = π · 1,36 = 4,27 м;

— полный вес сваи-оболочки:

св

= 0,558· 32 · 2,5 = 44,6 тс = 450 кН.

В основании опоры залегают следующие грунты:

слой 1 — суглинок текучепластичный (I

= 0,76), толщина 8 м;

слой 2 — суглинок мягкопластичный (I

= 0,6), 4 м;

слой 3 — суглинок полутвердый (I

= 0,2) — простирается ниже.

Глубина воды в реке h

= 10 м.

Решение: прежде всего по формуле (11), табл. 2 и 7 [22] определим несущую

способность сваи-оболочки по грунту:

= γ

(γ

RA + и∑γ

) = 1,0 · [1,0 · (2180 + 1,5 · 10 · 10) · 0,558 + 0,7 · 5,02 · 2,0· (4

+ +7,4 + 8,8 + 8,8 + 19 + 20 + 69,2 +72 + 74,8 + 77,6 + 81,8 + 84,6)] = 1300 + 3710 = 5010

кН.

Необходимое значение вынуждающей силы вибропогружателя по формуле (16)

составляет

≥ (1,4 · 5010 - 2,8 · 600)/2,38 = 2241 кН,

где предварительно принимаем G = 450 + 150 = 600 кН.

Средний по слоям коэффициент из табл. 11 равен:

= (3,4 · 8 + 3,0 · 4 + 1,5 · 12)/24 = 2,38.

Такому значению необходимой вынуждающей силы не удовлетворяет даже лучший

отечественный вибропогружатель ВРП 70/200 (см. табл. 9). Принимаем по табл. 10

гидровибропогружатель марки 100HD фирмы РТС (Франция), имеющий параметры:

М=1,15 кН·м; n

= 1400 об/мин = 23,3 об/с; P

= 2510 кН; Q

= 135 кН.

Далее определим время погружения сваи-оболочки по формуле (19), исходя из

следующего порядка выполнения технологических операций.

Заходка 1 — вначале в направляющие устанавливают краном столб высотой 16 м.

Проходят слой 1 толщиной l

= 8 м с оставлением в оболочке грунтового сердечника, т. е.

без извлечения грунта из полости.

б1

= 0,7 · (5,02 + 4,27) · 2,0 · (4 + 7,4 + 8,8 + 8,8) = 377,2 кН;

= 1,0 · (300 + 150) · 0,558 + 377,2 = 628 кН;

= 450/2 + 135 = 360 кН.

Реальные значения вынуждающей силы и частоты вращения вибропогружателя на

этой заходке:

в1

= (628 - 360)/3,4 = 79 кН;

./73,0

1400

2510

собn



Мощность машины, идущая непосредственно на процесс погружения сваи, по

формуле (20) равна:

./5,47

0,73360

792

смкНW 





Амплитуда колебаний вибросистемы по формуле (15):

= 1,15/360 = 0,003 м.

По формуле (19) определяем время погружения сваи на заходке 1:

.4,5

360)0,5-(3770,730,003120-47,515

8,0360)0,5-(628

минt 







Заходка 2 — наращивают сваю еще одной секцией длиной 8 м. Проходят слой 2

толщиной 4 м и часть слоя 3 толщиной 4 м (1

= 8 м), также с оставлением в оболочке

грунтового сердечника.

б2

= 377,2 · 5,02/(5,02 + 4,27) + 0,7 · (5,02 + 4,27) · 2,0 · (19 + 20 +69,2 +72) = 2547,5

кН;

= 1,0 · (1250 + 150) · 0,558 + 2547,5 = 3329 кН;

450 + 135 = 435 КH;